LAS RESISTENCIAS TÉRMICAS EN CAMBIADORES DE

LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II
Las resistencias térmicas en cambiadores de calor
1
Problema
Utilizar uno de los cambiadores de coraza con tubos de acero del módulo Pignat,
para seleccionar el arreglo de corrientes que permita obtener la mínima
temperatura de enfriamiento de agua caliente que se puede obtener bajo las
siguientes condiciones:
1.- El menor consumo de agua de enfriamiento
2.- La mayor rapidez de transferencia de calor
3.- Las mínimas resistencias térmicas del coeficiente total Uo
Arreglo 1.- Flujo de agua caliente con gasto de 200 L / h a temperatura de
alimentación de 65ºC por los tubos y flujos en contra corriente de
agua fría por la coraza. El cambiador no está incrustado
Arreglo 2.- Flujo de agua caliente con gasto de 200 L / h a temperatura de
alimentación de 65ºC por la coraza y flujos en contra corriente de
agua fría por los tubos. El cambiador no está incrustado
Reportar el menor consumo de agua de enfriamiento, la mayor rapidez de
transferencia de calor y las mínimas resistencias térmicas.
2
Operación del equipo
Consultar la Figura 1 de acuerdo a los incisos citados a continuación
7
10
11
2
1
12
3
6
8
6
9
4
5
Termorregulador
Figura 1. Módulo de transferencia de calor
a.- Conectar el tanque (6) con la manguera de alimentación al módulo de
transferencia de calor, y abra la válvula situada en la base del tanque
b.- Llenar con agua el tanque (6)
c.- Conectar el arreglo 1 y el arreglo 2 de acuerdo a los diagramas descritos abajo,
utilizando el cambiador derecho de tubos de acero. Utilizar las mangueras
rojas para el agua caliente, las azules para el agua fría. Para conectar o
desconectar cualquier manguera del equipo, desplazar hacia atrás el niple de
ajuste en la toma seleccionada, consultar a su profesor
d.- Abrir la válvula de alimentación de agua que alimenta al termorregulador,
consultar con su profesor sobre la ubicación de la misma
e.- Activar el interruptor principal de energía eléctrica, consultar con su profesor
para indicar la ubicación
3
f.- Utilizar la llave que abre la cerradura de seguridad (1), accionar la perilla hacia
afuera
g.- Alimentar energía eléctrica al módulo con la perilla (2), colocarla de la posición
0 a la posición 1
h.- Alimentar energía eléctrica al termorregulador con la perilla (3), pasando de la
posición paro, a la posición marcha.
i.- Accionar la perilla (4) pasando de la posición 0 a la posición normal, haciendo
doble clic a la izquierda. Esta operación ocasiona el arranque de la bomba del
termorregulador donde el flujo se deberá ajustarse a 200 L / h y permanecer
constante para cualquier corrida experimental, el flujo se deberá controlar con
la válvula ubicada en el rótametro (12)
j.- Programar el termorregulador a una temperatura de 65oC, utilizando los 3
botones del programador-indicador (5). Mantener presionada la tecla izquierda
mientras sube o baja las lecturas con las dos teclas de la derecha.
k.- Alimentar agua fría al módulo de transferencia de calor utilizando el botón (10),
que da marcha a la bomba de agua fría, con un flujo variable que deberá
controlarse con la válvula ubicada en el rotámetro (11).
L.- Tomar las cuatro lecturas de las temperaturas de entrada y salida mostradas
en las carátulas (7), esperando el tiempo necesario para que se estabilicen las
variaciones de temperaturas de las cantidades de los números enteros. Las
décimas de grado no se pueden estabilizar.
m.- En las siguientes corridas experimentales, aumentar cada 100 L / h el flujo de
agua fría, tomando las lecturas de entradas y salidas de los cambiadores en
operación.
n.- Para recuperar rápidamente la temperatura programada del termorregulador al
finalizar cualquier corrida experimental, cancelar momentáneamente la
alimentación del agua fría al sistema.
Nota: La carátula de alimentación de agua caliente del cambiador de tubos de
acero, servirá de referencia para indicar que la temperatura de alimentación ha
alcanzado nuevamente los 65ºC
ñ.- Revisar durante la experimentación el nivel del tanque de agua fría alimentada
por la línea de suministro, para evitar derrames o faltantes de agua de
enfriamiento.
4
Desarrollo experimental
I.- Iniciar la experimentación con el arreglo 1, vierta sus resultados en la tabla I
ARREGLO 1
Tabla I, datos experimentales
Lc
(L/h)
200
200
200
200
200
200
Lf
(L/h)
100
200
300
400
500
600
T1
(ºC)
T2
(ºC)
t1
(ºC)
t2
(ºC)
65
65
65
65
65
65
II.- Continuar con el arreglo 2, vierta sus resultados en la tabla II
5
ARREGLO 2
Tabla II, datos experimentales
Lc
(L/h)
200
200
200
200
200
200
Lf
(L/h)
100
200
300
400
500
600
T1
(ºC)
T2
(ºC)
t1
(ºC)
t2
(ºC)
65
65
65
65
65
65
III.- Trazar las siguientes gráficas con los resultados de los arreglos 1 y 2, utilizar
la información del apéndice
6
Gráfica
Contenido
A
Las temperaturas de salida T2 (ºC) de los arreglos 1 y 2 Vs. gasto de
agua fría Lf (L / h)
B
Las cantidades de calor transferido por el fluido caliente Qc (kcal / h)
de los arreglos 1 y 2 Vs. gasto de agua fría Lf (L / h)
C
Los coeficientes totales experimentales Uexp (kcal / h m^2 ºC) del
arreglo 1 Vs. gasto de agua fría Lf (L / h)
D
Los coeficientes totales experimentales Uexp (kcal / h m^2 ºC) del
arreglo 2 Vs. gasto de agua fría Lf (L / h)
Cuestionario
1.- De la gráfica A. ¿Porqué razón a cualquier incremento de flujo de agua fría, la
corriente de proceso de salida T2 se enfría más en el arreglo 1 que en el
arreglo 2, si las temperaturas y los flujos de las corrientes alimentadas son
iguales?. Despreciar el calor perdido por las paredes de la coraza.
2.- Del análisis de los resultados experimentales de las tablas I y II, explicar
porqué cuando se alimentan al cambiador gastos altos de agua de
enfriamiento Lf, las temperaturas de salida T2 permanecen constantes.
3.- ¿Qué diferencias existen entre los arreglos del cambiador 1 y 2 para explicar
porqué no se obtienen los mismos valores de las temperaturas de salida T 2 del
agua caliente y t 2 del agua fría?
4.- ¿En qué dirección se da la rapidez de transferencia de calor (flux de calor) en
los arreglos 1 y 2?
5.- ¿Qué fenómeno físico se presenta por dentro de los tubos en el arreglo 1, que
hace que sé de la rapidez de transferencia de calor de la corriente caliente a la
fría con mayor intensidad, comparada con la que se presenta en el arreglo 2
del lado de la coraza del cambiador?. Explicar porqué
6.- ¿Cuáles son las resistencias térmicas que componen al coeficiente total Uo de
la ecuación de rapidez de transferencia de calor (flux de calor)
7.- Mencionar el orden en que se manifestaron las resistencias térmicas para el
paso del flujo de calor a través del área longitudinal de los tubos en los arreglos
1y2
8.- ¿Qué resistencias térmicas del coeficiente total Uo permanecieron constantes
en la operación los arreglos 1 y 2 al incrementar el gasto del agua de
enfriamiento Lf ?
7
9.- En la operación de los arreglos 1 y 2, ¿Qué resistencias térmicas del
coeficiente total Uo se vieron afectadas en forma ascendente al incrementar el
gasto del agua de enfriamiento Lf ?
10.- Para el arreglo del cambiador 1, ¿Cómo es la magnitud del coeficiente
convectivo de transferencia de calor de las paredes internas de los tubos hio,
en comparación con el de las paredes externas ho al incrementar el gasto del
agua de enfriamiento Lf ?
11.- Para el arreglo del cambiador 2, cómo es la magnitud del coeficiente
convectivo de transferencia de calor de las paredes externas de los tubos ho
en comparación con el de las paredes internas hio al incrementar el gasto del
agua de enfriamiento Lf ?
12.- Utilizar los perfiles de las gráficas B y C de la operación del cambiador 1, para
explicar cómo son entre sí los valores de los coeficientes convectivos hio y
ho cuando el flujo de calor transferido permanece constante a flujos altos de
agua de enfriamiento Lf.
13.- Utilizar los perfiles de las gráficas B y D de la operación del cambiador 2, para
explicar cómo son entre sí los valores de los coeficientes convectivos ho y
hio cuando el flujo de calor transferido permanece constante a flujos altos de
agua de enfriamiento Lf.
14.- Utilizar las ecuaciones reportadas en el apéndice para trazar la gráfica E de
los perfiles de las tres resistencias térmicas en (h m^2 ºC / kcal) Vs. el gasto
de agua fría Lf en (L / h) para el arreglo 1. Reportar el valor del exponente N
utilizado
15.- Utilizar las ecuaciones reportadas en apéndice para trazar la gráfica F de los
perfiles de las tres resistencias térmicas en (h m^2 ºC / kcal) Vs. el gasto de
agua fría Lf en (L / h) para el arreglo 2. Reportar el valor del exponente M
utilizado
16.- Utilizar los perfiles de las gráficas B y E para explicar el efecto de las
resistencias térmicas del coeficiente Uo en la cantidad de calor transferido en
la operación del arreglo 1
17.- Utilizar los perfiles de las gráficas B y F para explicar el efecto de las
resistencias térmicas del coeficiente Uo en la cantidad de calor transferido en
la operación del arreglo 2
18.- ¿Cuál es el arreglo del cambiador que permite obtener la mínima temperatura
de enfriamiento de agua caliente, el menor consumo de agua de
enfriamiento, la mayor rapidez de transferencia de calor y los valores de las
mínimas resistencias térmicas del coeficiente total Uo?
8
Apéndice
Ecuaciones para calcular los coeficientes convectivos para el arreglo 1
Coeficiente hio en las paredes
internas de los tubos
Nui
 Rei  Pri di 


L

N
Ó
Coeficiente ho en las paredes
externas de los tubos
ho
1
1
Uexp
N

Xw  Ao
k w Aw m

Ao
hi Ai
 Rei  Pri di   k c


L
di

hi
hio
hi Ai
Ao
Ecuaciones para calcular los coeficientes convectivos para el arreglo 2
Coeficiente hio de las paredes
internas de los tubos
hi
Coeficiente ho de las paredes
externas de los tubos
1
 1  Xw  Ao  1   Ai


 Uexp k w Aw ho  Ao
Nuo
hi Ai
M
Ó
M
ho
hio
 Reo  Pro  De 


L 

 Reo  Pro  De   k c


L 
De

Ao
Nomenclatura
Ai = Área longitudinal interna de un tubo
Ao = Área longitudinal externa de un tubo
Awm = Promedio de las áreas longitudinales interna y externa de un tubo
.
di = Diámetro interno de un tubo
De = Diámetro equivalente
hi = Coeficiente convectivo del lado interno de los tubos
ho = Coeficiente convectivo del lado externo de los tubos
kc = Conductividad térmica del agua caliente
kw = Conductividad térmica de los tubos de acero
9
L = Longitud de los tubos del cambiador
Nu i = Módulo adimensional de Nusselt del lado interno de los tubos
Nu o = Módulo adimensional de Nusselt del lado externo de los tubos
Pr i = Módulo adimensional de Prandtl del lado interno de los tubos
Pr o = Módulo adimensional de Prandtl del lado externo de los tubos
Re i = Módulo adimensional de Reynolds del lado interno de los tubos
Re o = Módulo adimensional de Reynolds del lado externo de los tubos
Uexp = Coeficiente total de transferencia de calor experimental
Xw = Espesor de la pared de los tubos
Dimensiones del cambiador (1,1)
Longitud de los tubos
0.5715 m
Número de tubos
6
Diámetro interno de los tubos
0.0115 m
Diámetro externo de los tubos
0.0140 m
Diámetro interno de la coraza
0.0800 m
Espacio entre las mamparas
0.1100 m
No. de mamparas
4
Claro
0.0140 m
Pitch triangular
0.0280 m
Conductividad térmica del acero 38.74 kcal / h m ºC
Las propiedades del agua a la temperatura promedio Tm
Conductividad
4
6
2
térmica
k 0.31171 6.227810

TmºF  1.115910

TmºF
(BTU/h ft ºF)
Viscosidad
(lb / h ft)
 208.65    2074.8 
   0.23535  
 

 TmºF   TmºF 2 
Capacidad
4
6
2
9
3
calorífica
Cp 1.0152 3.617110

TmºF  2.170910

TmºF  2.983110

TmºF
(BTU / lb ºF)
Densidad
(lb / ft^3)
3
  62.7538 3.534710

5
TmºF  4.819310

TmºF
2
Material necesario para la experimentación
a.- 6 mangueras del módulo de transferencia de calor Pignat
b.- Llave de seguridad del módulo de transferencia de calor Pignat
10